DE497079C - Verfahren zur Dauerpruefung von Materialien - Google Patents

Verfahren zur Dauerpruefung von Materialien

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DE497079C
DE497079C DED48253D DED0048253D DE497079C DE 497079 C DE497079 C DE 497079C DE D48253 D DED48253 D DE D48253D DE D0048253 D DED0048253 D DE D0048253D DE 497079 C DE497079 C DE 497079C
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/32Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces
    • G01N3/34Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces generated by mechanical means, e.g. hammer blows
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N2203/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
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Description

  • Verfahren zur Dauerprüfung von Materialien Zur Feststellung der Eigenschaften von Prüfkörpern in bezug auf Dauerbeanspruchung sind Ermüdungsmaschinen bekannt geworden, bei denen das Probestück schnell sich wiederholenden Belastungen ausgesetzt wird. Um hierbei mit verhältnismäßig kleinen Kräften möglichst große Auslenkungen zu erzielen, wurde vorgeschlagen, die Erregung des das Probestück enthaltenden Schwingungsgebildes im gleichen Takt mit dessen Eigenschwingungsfrequenz vorzunehmen. Es zeigte sich jedoch, daß die hierbei nötige Übereinstimmung des Schwingungsgebildes im Verlaufe eines Versuches sehr schwer aufrechtzuerhalten ist, da beide Frequenzen Schwankungen unterworfen sind. Um die Frequenzschwankungen wenigstens des mechanischen Schwingungsgebildes zu unterdrücken, wurde ferner vorgeschlagen, außer der Elastizität des Probestückes eine zweite festgegebene Elastizität vorzusehen, die überwiegend die Abstimmung des Schwingungsgebildes bestimmt. Auf diese Weise wurde erreicht, daß die während eines Versuches auftretenden Änderungen der elastischen Eigenschaften des Probestückes keinen wesentlichen Einfluß auf die mechanische Abstimmung des Schwingungsgebildes ausüben konnten. Diese Maßnahme bedingt jedoch einen schwerwiegenden Nachteil, der darin liegt, daß große Massen in Bewegung gesetzt werden müssen, so daß eine peinlich genaue, dauernde Einregelung der erregenden Frequenz nötig ist, da sonst das mit großen Massen ausgestattete System sofort aus dem Takt fällt.
  • Vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren und Einrichtungen zur Ausübung desselben, das die gekennzeichneten Mängel vermeidet. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß mindestens zwei mechanische Schwingungssysteme vorgesehen sind, die aufeinander einwirken, und daß die Frequenz der Erregung zwischen den Abstimmungen zweier Schwingungsgebilde erfolgt. Es wird also von vornherein auf das Arbeiten in Resonanz verzichtet. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß kleine Frequenzschwankungen sowohl der Erreging ,als auch der Schwingungssysteme keine störenden Einflüse auf den Arbeitszustand der Maschine ausüben. Für das Wesen der Erfindung ist es ohne Belang, ob die vorgesehenen Schwingungsgebilde auf Zug und Druck, Biegung oder Torsion beansprucht werden, ferner können auch Schwingungsgebilde verschiedener Beanspruchung miteinander kombiniert werden, derart, daß beispielsweise ein Schwingungssystem auf Torsion, ein anderes auf Biegung beansprucht wird.
  • Um einen möglichst ruhigen Lauf derartiger Maschinen zu erzielen, werden sie bekanntlich vorteilhaft mit besonderen Dämpfungseinrichtungen versehen. Diese Dämpfungseinrichtungen zwingen die sehr wenig belastete Maschine zu besonderen Arbeitsleistungen, die ausgleichend auf den Betriebszustand einwirken.
  • Um die Erfindung näher zu erläutern, seien einige Ausführungsbeispiele beschrieben.
  • In Abb. i ist eine Ermüdungsmaschine gezeichnet, bei der zwei auf Torsionsschwingungen beanspruchte Schwingungsgebilde vorhanden sind. Es bedeutet a eine Masse von bestimmtem Trägheitsmoment, die durch eine an sich beliebige Einrichtung in Torsionsschwingungen um die Längsachse versetzt wird. Das Trägheitsmoment dieser Masse wird mit Hilfe des die Torsionselastizität bewirkenden Körpers b auf die gewünschte Abstimmung gebracht. Das Ende dieses Körpers b wird vorteilhaft mit dem Fundament der Maschine fest verbunden. Mit der Massea ist ein weiterer Körper zur Erzeugung einer zweiten Torsionselastizität gekoppelt, der hier beispielsweise als Rohr c ausgebildet ist und an seinem Ende eine Masse von bestimmtem Trägheitsmoment trägt, wodurch das zweite Schwingungsgebilde erhalten wird. Die Abstimmung dieser beiden Schwingungsgebilde wird durch entsprechende Abmessungen so gewählt, daß der Unterschied ihrer Resonanzfrequenzen mindestens gleich den im Betriebe vorkommenden Schwankungen der Erregerfrequenz ist. Durch diese Anordnung wird erzielt, daß die Masse a in einem bestimmten Frequenzbereich annähernd gleichbleibende Drehschwingungen ausführt. Diese Drehschwingungen werden auf den Probestab f übertragen, der mit Hilfe des Kopfes g in bezug auf diese Drehschwingungen starr im Gehäuseteil 1a eingelassen ist. Der Probestab f ist im Kopfe g so geführt, daß er sich in der Längsrichtung seiner Achse frei bewegen kann, um Längenänderungen infolge Temperaturerhöhung auswirken zu lassen. In Abb. i ist die Masse e gleichzeitig als mechanische Dämpfung benutzt. Die Masse besteht aus einzelnen auf dem Rohr c fest aufgesetzten Scheiben, die in einer Flüssigkeit mit großem Reibungskoeffizient hin und her schwingen. Durch die hierbei geleistete Reibungsarbeit wird die Maschine belastet, wodurch ein ruhiger Lauf erzielt wird. Außer der beschriebenen Dämpfungseinrichtung können auch andere ähnlich wirkende Vorrichtungen vorgesehen werden. Die Masse e kann beispielsweise auch als Anker einer elektromagnetischen Anordnung ausgebildet werden, der sich in magnetischen Feldern bewegt, wodurch eine abbremsende Wirkung durch die auftretenden Induktionsströme erzielt wird.
  • Es ist besonders vorteilhaft, das mit dem Fundament verbundene Schwingungssystem als Torsionsschwingungssystem auszubilden, wie dies in Abb. i beschrieben ist. Die Ausgestaltung des zweiten Schwingungssystems ist weniger von Belang. Es kann dieses beispielsweise auch aus einzelnen auf Biegung beanspruchten Stäbchen bestehen.
  • In der Praxis kommt häufig der Fall vor, daß eine verhältnismäßig große Amplitude der Schwingungen bei gleichzeitig hoher Arbeitsfrequenz verlangt wird. In diesem Falle wird erfindungsgemäß als Elastizität des ersten Schwingungsgebildes eine Torsionsfeder verwandt, wie dies in Abb. a dargestellt worden ist. Durch die Feder b wird der Masse a. eine verhältnismäßig hohe Abstimmung erteilt, wobei sehr große Amplituden der Drehschwingungen gewährleistet sind. Als Elastizitäten des zweiten Schwingungsgebildes sind hier beispielsweise auf Biegung beanspruchte Stäbe in horizontaler Richtung angeordnet, die an ihren Ende ringförmige Dämpfungsflächen tragen. Diese Dämpfungsfiächen ragen in eine mit stark dämpfender Flüssigkeit gefüllte Rinne hinein, wodurch eine starke Belastung der Maschine gewährleistet ist. Der übrige Teil der Maschine gleicht dem in Abb. i beschriebenen.
  • In den beiden Abb. i und 2 sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens beschrieben worden, bei denen im besonderen die Prüfkörper f so eingespannt sind, daß diese in bezug auf Torsion beansprucht werden. Es kann jedoch auch der Prüfkörper f mit der Masse a so in Verbindung gebracht werden, daß Dauerversuche in bezug auf beliebig andere Belastungsweisen ausgeführt werden können. Die folgenden Abb. 3 , bis 5 zeigen schematisch einige Ausführungsbeispiele, wobei von der eigentlichen Prüfmaschine nur die Masse a gezeichnet ist, so daß sich die Abb. 3 bis 5 auf die Deutlichmachung der Art der Verbindung des Probe- ; körpers mit der um ihre Achse schwingenden Masse a beschränken. In Abb. 3 ist beispielsweise eine Einrichtung beschrieben, mit deren Hilfe Zug- und Druckbeanspruchungen erzeugt werden können. Es bedeutet a die in Drehschwingungen versetzte Masse a, auf welcher ein Spannkopf i angebracht ist, in den der Probestab f eingespannt ist. Das andere Ende des Probestabes.f ist in einer zweiten feststehenden Haltevorrichtung h gelagert. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß durch eine derartige Einrichtung der Stab f auf Druck und Zug beansprucht wird.
  • In Abb. q. ist eine weitere Vorrichtung gezeigt, mit deren Hilfe der Probestab f auf Biegung beansprucht werden kann.
  • Bei Untersuchung größerer Serien von Materialien können auf dem Umfang der Masse auch in bekannter Weise eine Mehrzahl von solchen Einspannv orrichtungen vorgesehen werden, so daß gleichzeitig mehrere Stäbe untersucht werden können.
  • Ferner können auch Einrichtungen getroffen werden, mit deren Hilfe ein Probestab gleichzeitig zwei verschiedenen Belastungsweisen ausgesetzt werden kann. In Abb. 5 ist eine derartige Einrichtung gezeigt, die dadurch gewonnen wird, daß der Winkel zwischen Spannkopf i.', Mittelpunkt der Masse a und Achse des Probestabes f zwischen. o bis cgo^ liegend gewählt wird. Es ist ersichtlich, daß der Probestab f gleichzeitig Biege- und Druck- bzw. Zugbeanspruchungen ausgesetzt ist.
  • Zur Prüfung der Eigenschaften eines Materials wird man, wie dies in Abb. i und z gezeigt ist, Probestäbe von geeignet gewählten Abmessungen aus dem zu untersuchenden Material herstellen. Es ist jedoch in der Technik häufig von Wichtigkeit, das verwendete Material nicht nur in Form von Probestäben zu untersuchen, sondern auch die Güte der fertigen Stücke, die den ganzen Fabrikationsprozeß durchlaufen haben, festzustellen.
  • Die Untersuchung von Federn, Spiralfedern usw.kann ohne weiteres in den beschriebellen Anordnung erfolgen, wobei an Stelle des Probestabes die zu untersuchende Feder eingespannt wird. Um in gewissen Fällen z. B. bei der Untersuchung von Spiralfedern für Uhren einen sehr großen Verdrehungswinkel zu erhalten, wird vorteilhaft eine Vergrößerungseinrichtung nach Abb.6 verwandt. Auf die Achse der :Maschine a ist ein eine schwache Elastizität erzeugender Körper i aufgesetzt, der an seinem Ende den kleinen Spannkopf in, trägt. Dieser Spannkopf »t führt stark vergrößerte Schwingungen aus, die auf die zu prüfende Feder it übertragen werden.
  • Bei der Ausführung von Ermüdungsversuchen ist es wünschenswert, die durch die Maschine ausgeübte Beanspruchung möglichst naturgetreu den in der Praxis vorkommenden Beanspruchungen anzugleichen. So ist es in manchen Fällen erforderlich, einen Ermüdungsversuch an elastischen Bauteilen auszuführen, die außerdem noch unter der Einwirkung einer statischen Kraft stehen. Ermüdungsversuche z. B. an Tragfedern für Automobile, Eisenbahnwagen usw. müssen an gespannten Federn vorgenommen werden. Es zeigt sich hierbei nun die Schwierigkeit, daß durch Anwendung starrer Spannvorrichtungen, wie sie vorgeschlagen worden sind, die Feder ihre natürliche Schwingungsfähigkeit verliert oder die Prüfmaschine selbst durch diese Vorspannung stark belastet wird. Es wird deshalb vorgeschlagen, die statische Vorbelastung in bekannter Weise durch eine besondere elastisch wirkende Vorrichtung zu .erzeugen, wodurch die genannten Nachteile vermieden werden.
  • In Abb. 7 ist beispielsweise eine derartige Einrichtung gezeichnet. Zwei Federn o und p werden durch Bolzen q und Schraube r auf den Betriebszustand gebracht und sind gegen feststehende Lager ,s gestützt. Bei t greift die Ermüdungsmaschine an, wie dies schematisch in Abb. 3 gezeigt worden ist. Es ist ersichtlich, daß .durch eine solche Einrichtung die beiden Federn o und p in natürlichem Belastungszustand den Ermüdungsschwingungen ausgesetzt werden können, ohne daß die obengenannten Nachteile auftreten. Es können hierbei zwei gleichartige Federn kombiniert werden, so daß eine gleichzeitige Prüfung beider Federn erfolgt, oder aber es wird die eine Feder so bemessen, daß die für die andere zu prüfende Feder zum Bruche führenden Belastungen für die Spannfeder unschädlich sind.
  • Ein Maß für die Güte des zu untersuchenden Materials oder Konstruktionsteiles ist durch die Anzahl der Belastungen gegeben, die zum Bruche führen. Da der Prüfkörper auf die Prüfmaschine selbst nur einen geringfügigen Einfluß ausübt, so ist im Gegensatz zu statischen Prüfmaschinen ,der Zeitpunkt des Bruches oft nicht mit der erforderlichen Genauigkeit festzustellen. Aber nicht nur der Zeitpunkt des völligen Bruches ist von Interesse, sondern es ist für eine eingehende Beurteilung des Probekörpers der Verlauf möglichst vieler physikalischer Eigenschaften desselben erwünscht, wie er sich während des Versuches abspielt. Es wurde nun bereits vorgeschlagen, die Temperatur des Probekörpers messend zu verfolgen, um aus dem Anstieg der Temperatur gewisse Rückschlüsse ziehen zu können. Der Verlauf der Temperatur ist jedoch erst in sekundärer Art von den Vorgängen im Gefügeaufbau abhängig. Es wird deshalb die Messung solcher physikalischer Eigenschaften des Versuchskörpers vorgeschlagen, die bekanntlich unmittelbar von dem Gefügeaufbau abhängig sind, und zwar insbesondere elektrische Leitfähigkeit und magnetisches Verhalten. Um den Eintritt des völligen Bruches genau festzustellen, wird ferner vorgeschlagen, die beim Bruch auftretenden starken Änderungen einer physikalischen Eigenschaft zur Betätigung eines Relais zu benutzen, das optische oder akutische Signale bedient und auch die Ermüdungsmaschine völlig abzuschalten vermag. Am geeignetsten hierfür ist ein Relais, das durch die beim Bruche erfolgende Öffnung eines elektrischen Stromkreises betätigt wird. Auf diese Weise ist es möglich, länger dauernde Ermüdungsversuche nach dem Einschalten völlig sich selbst zu überlassen und trotzdem ein genaues Bild des Versuchsverlaufes zu gewinnen.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Dauerprüfung von Materialien auf beliebige Belastungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung zwischen den Abstimmungsfrequenzen mindestens zweier miteinander verbundener, mechanischer Schwingungssysteme vorgenommen wird.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung der mechanischen Schwingungssysterne so gewählt ist, daßderUnterschied ihrer Resonanzfrequenzen mindestens den im Betrieb vorkommenden Schwankungen der Erregerfrequenz gleich ist.
  3. 3. Einrichtung .nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Vorrichtung zur Übertragung von Torsionsschwingungen fest eingespannte Stab etwa auftretenden Dimensionsänderungen in seiner Längsachse ohne zusätzliche Beanspruchung folgen kann.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, -daß .das mit dem Fundament der Maschine verbundene Schwingungssystem zur Erzeugung von Torsionselastizität eingerichtet ist.
  5. 5. Einrichtung nachAnspruch i,dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Torsionsfeder so gewählt sind, daß dieselbe sowohl Torsions- als auch Längsschwingungen von annähernd gleicher Frequenz ausführen kann.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer exzentrisch auf der Drehschwingungen ausführenden Masse (a) angebrachten Spannvorrichtung (i) Zug- und Druck- oder Biegungsbeanspruchungen auf den Prüfkörper oder beide gleichzeitig übertragbar sind.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Elastizität (i) und einen Spannkopf (m) die Schwingungen der Masse (a) in vergrößertem Maßstabe auf den Probekörper übertragbar sind.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE872274C (de) * 1942-11-26 1953-03-30 Aeronautique Du Sud Est Soc Na Verfahren und Maschine zum Messen der Ermuedung bei wechselnden Beanspruchungen

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE872274C (de) * 1942-11-26 1953-03-30 Aeronautique Du Sud Est Soc Na Verfahren und Maschine zum Messen der Ermuedung bei wechselnden Beanspruchungen

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